原子偶極：科學家首次直接測量原子間的范德華力
（圖片來源：iStockphoto/Nicemonkey）
原子間、分子間和物體表面間的范德華力以各種不同方式出現(xiàn)在日常生活中。例如，蜘蛛和壁虎就是依靠范德華力才能沿著平滑的墻壁向上爬，我們體內(nèi)的蛋白質(zhì)也是因為范德華力的存在才會折疊成復雜的形狀。
范德華力是以荷蘭科學家約翰內(nèi)斯？迪德里克？范德華的名字命名的，他在1873年第一次提出了范德華力這個概念用以解釋氣體的行為。這種力非常微弱，只有當原子或者分子十分靠近的時候才有意義。原子電子云的漲落使得原子具有瞬時電偶極矩，從而誘導附近的原子產(chǎn)生電偶極矩，結(jié)果會產(chǎn)生相互吸引的偶極間相互作用。
間接測量
對原子間范德華力的間接測量已有非常多的研究成果，例如分析宏觀物體間的凈力來獲得經(jīng)驗值，或者利用光譜學來分析雙原子分子中兩個原子間的長程作用力。但在這之前一直缺乏直接測量范德華力的相關(guān)研究。
這項最新的研究是由帕萊佐的查爾斯？法布里實驗室（Laboratoire Charles Fabry， LCF）和里爾大學（University of Lille）的研究人員共同完成的?！拔覀兯龅氖牵苯訙y量兩個位于可控距離內(nèi)的獨立原子間的范德華力，原子間的距離由實驗人員設(shè)定。據(jù)我們所知這是首次實現(xiàn)直接測量，”LCF團隊成員蒂埃里？拉哈耶（Thierry Lahaye）說。
在測量原子間作用力時，控制兩個普通原子之間的距離是極其困難的，因為相關(guān)的距離非常小。研究團隊利用里德伯原子來解決這個問題，它們比普通原子大很多。里德伯原子中有一個電子處于高激發(fā)態(tài)，這意味著它們有一個很大的瞬時電偶極矩，因此即使處于相對較遠的距離，也會存在較大的范德華力。它們同時還有某些獨特的性質(zhì)，使得它們在實驗室中可以被精確控制。
原子對
實驗首先利用兩束高度聚焦的激光束分別捕獲兩個銣原子，并將原子分隔開幾微米的距離。然后將一束特定波長的激光束照射在原子上，使得體系在基態(tài)和一個或兩個里德伯原子之間振蕩。研究團隊發(fā)現(xiàn)，當條件合適時，體系將在基態(tài)和一對里德伯原子之間振蕩，此時兩個原子分別在兩束激光的焦點上。通過測量這些振蕩，研究人員計算出了兩個里德伯原子之間的范德華力。
研究人員通過調(diào)整捕獲激光束，可以將里德伯原子靠近或拉遠。當研究人員改變原子之間的距離R時，作用力表現(xiàn)出與R的6次方呈反比的變化規(guī)律——這一結(jié)果和預期的范德華力完全一樣。
除了測量范德華力，研究團隊還發(fā)現(xiàn)兩個相互作用的里德伯原子的量子態(tài)演化是完全相干的。LFC團隊成員安托萬？布拉維斯（Antoine Browaeys）稱，這是“在原子物理中從未見到過的”。
與量子邏輯相似
兩個相互作用原子的相干演化和工作于兩個量子比特上的量子邏輯門是完全一樣的。布拉維斯認為，這說明通過范德華力進行相互作用的兩個原子是創(chuàng)建高保真量子門的理想系統(tǒng)，“這一結(jié)果讓我們向量子計算機又進了一步?！彼f。
事實上，研究人員認為他們實驗的長遠意義并不在于測量范德華力本身，而是實現(xiàn)了對里德伯原子的精確控制。 “這使得我們能夠設(shè)計小的量子系統(tǒng)，并逐漸增加量子系統(tǒng)的尺寸，有希望從兩個里德伯原子逐漸增加到幾十個，而我們可以完全控制原子間的相互作用。”拉哈耶解釋道。
這樣的量子系統(tǒng)有望應(yīng)用于量子信息處理或者凝聚態(tài)體系的量子模擬（例如量子磁體）等工作中。
并未參與此次研究的馬里蘭大學聯(lián)合量子研究所的史蒂文？羅爾斯頓（Steven Rolston）將這一成果稱作是重要的里程碑，他認為這將有助于量子信息設(shè)備的研發(fā)與制造，因為它證明了原子量子比特間的范德華力表現(xiàn)得與預期相同。
本研究發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
本文作者 卡蒂亞？摩斯科維奇是一位英國科學作家。
（翻譯：沈添懌）
原文地址：http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/jul/04/atomic-van-der-waals-force-measured-for-the-first-time
